复杂神经元细胞膜在不同创伤性脑损伤场景下的分子动力学变形与破坏机制研究

针对创伤性脑损伤(TBI)中神经元膜纳米级损伤机制难以实验观测的问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟技术，系统研究了多组分神经元膜在不同应变速率和应变状态下的机械变形、破裂及机械成孔(mechanoporation)损伤。发现低应变速率和等双轴应变状态会导致更严重的膜损伤，并更新了膜失效极限图(MFLD)，为TBI相关细胞损伤预测提供了非侵入性研究框架。

　　

当头部遭受物理撞击时，隐藏在颅骨内的大脑会经历复杂的损伤级联反应。创伤性脑损伤(TBI)每年在全球造成数百万人死亡或残疾，但其最基础的损伤机制——神经元细胞膜的纳米级机械破坏，却如同"黑箱"般难以窥探。传统实验技术受限于观测尺度，无法捕捉脂质双层在微秒级时间尺度内的动态破裂过程。而现有分子动力学(MD)研究多采用简化膜模型，忽略了人类神经元膜固有的多组分复杂性。这种认知空白严重制约了TBI精准防护策略的开发。

针对这一挑战，密西西比州立大学的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表突破性研究。他们构建了包含人类神经元典型脂质组成的多组分膜模型，通过CHARMM-GUI平台建立初始结构，采用GROMACS软件进行MD模拟。系统考察了3种应变速率（0.005/ps、0.01/ps、0.05/ps）和9种应变状态（从单轴拉伸到等双轴拉伸）下的膜变形行为，通过分析应力-应变曲线、孔隙演化、脂分子面积等参数，绘制出更新版的膜失效极限图(MFLD)。

应变速率依赖性
低速变形（0.005/ps）导致更大的孔隙尺寸（直径增加37%）但数量减少，这与高速变形时形成的密集小孔形成鲜明对比。临界失效时的脂分子面积(area per lipid)在所有速率下保持恒定（约0.68 nm²
），揭示膜破裂存在统一分子尺度判据。

应变状态影响
等双轴拉伸状态引发最严重的损伤：孔隙密度比单轴状态高2.3倍，且平均孔径扩大52%。这种应变状态依赖性源于脂分子排列的各向异性——双轴拉伸同时扰动所有方向的分子间作用力。

机械成孔损伤机制
首次在多组分膜中发现"两阶段成孔"现象：初始阶段形成亚稳态水通道，随后发展为不可逆的脂质重组。这一过程伴随明显的膜厚度波动（±15%），且胆固醇富集区表现出特殊的抗破裂特性。

更新MFLD图谱
新构建的失效极限图首次纳入多组分膜数据，明确划分出"安全区"（应变<18%）和"高危区"（应变>25%），为TBI计算机辅助诊断提供了分子水平标尺。

这项研究通过建立高保真神经元膜模型，揭示了TBI纳米损伤的动力学规律：低应变速率允许更多能量耗散时间，导致更严重的结构破坏；等双轴应变则通过同步削弱多方向分子作用力加剧损伤。Tonya W. Stone团队的工作不仅填补了复杂膜系统生物力学认知的空白，其提出的MFLD更为多尺度TBI预测模型提供了关键分子参数。未来可基于此开发新型脑保护材料，或通过调控特定脂质比例增强神经元抗损伤能力。该研究方法论框架还可拓展至阿尔茨海默病等膜稳态失衡相关疾病的研究。